許志勇，董 敏

（1.淮委水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001；2.淮委通信總站，安徽 蚌埠 233001）

全景圖像展示技術(shù)在防汛抗旱工作中的應(yīng)用

許志勇1，董 敏2

（1.淮委水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001；2.淮委通信總站，安徽 蚌埠 233001）

在防汛抗旱等水利工作的指揮決策過程中，實(shí)時(shí)了解災(zāi)害現(xiàn)場的情況具有十分重要的意義。全景圖像展示是一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用真實(shí)的照片獲得三維立體的感覺，具有 360° 的視角，可獲取現(xiàn)場的全方位信息。水旱災(zāi)害發(fā)生時(shí)，在現(xiàn)場進(jìn)行全景圖像資料的采集，經(jīng)過后臺(tái)專業(yè)拼接處理，最終通過網(wǎng)頁或者軟件集成的方式發(fā)布，能全面反映災(zāi)害現(xiàn)場及其他各類次生信息，為防汛抗旱指揮部門迅速把握災(zāi)情，發(fā)布災(zāi)情信息，以及做出正確的決策提供可靠的依據(jù)，同時(shí)也為后期災(zāi)害損失評估提供詳實(shí)珍貴的歷史圖像資料。

全景圖；防汛抗旱；災(zāi)情； 拼接

0 前言

信息是防汛抗旱決策的基礎(chǔ)，是正確分析和判斷防汛抗旱形勢，科學(xué)制定防汛抗旱調(diào)度方案的依據(jù)[1]。合理采用信息技術(shù)可以全面提升防汛抗旱工作的效率。

當(dāng)發(fā)生洪水和嚴(yán)重干旱時(shí)，可以利用全景圖像展示技術(shù)，全面地反映災(zāi)害現(xiàn)場及其他各類次生信息。作為對水情、雨情和墑情等防汛抗旱信息的補(bǔ)充，全景圖像信息能夠全面反映災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)的詳細(xì)受災(zāi)程度，可以為防汛抗旱指揮部門迅速把握災(zāi)情，發(fā)布災(zāi)情信息，做出正確的決策提供可靠的依據(jù)，從而縮小水旱災(zāi)害范圍，最大限度地減少災(zāi)害損失，同時(shí)也可為后期災(zāi)害損失評估提供詳實(shí)珍貴的歷史圖像資料。

1 全景圖像展示技術(shù)

全景圖像的英文單詞為“Panorama”，來源于希臘語，意思是“都能看見”[2]。人眼正常的有效視角大約為水平 90°、垂直 70°，如果包括雙眼余光視角，大約為水平 180°、垂直 90°。本文所論述的全景圖像，特指水平視角為 360°、垂直視角為 180° 的實(shí)景圖像，可全面展示 360° 范圍內(nèi)的所有景致，最大限度地保留場景的真實(shí)性，給人以三維立體的空間感覺。

全景圖像展示是一種基于靜態(tài)圖像在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓人們能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行 360° 全景觀察，而且通過交互操作，可以實(shí)現(xiàn)自由瀏覽，從而體驗(yàn)三維的虛擬現(xiàn)實(shí)視覺世界。

全景圖像與普通圖片的表現(xiàn)形式相比，具有真實(shí)感強(qiáng)、信息量大、交互性好、制作便捷、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。由于全景圖像文件占用空間小、便于傳輸、發(fā)布格式多樣化，非常適合當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)上各種形式的應(yīng)用。全景圖像展示技術(shù)在當(dāng)前的工作生活當(dāng)中，應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍。

2012 年倫敦奧運(yùn)會(huì)期間，騰訊公司打造了“奧運(yùn)全景 360 專題子站點(diǎn)”[3]，只需在圖片上輕點(diǎn)鼠標(biāo)即可完成旋轉(zhuǎn)、縮放等動(dòng)作，全方位美景近在眼前，使廣大網(wǎng)民猶如親臨奧運(yùn)現(xiàn)場，欣賞到電視鏡頭未能拍到的角度和細(xì)節(jié)。

谷歌公司在 Google 地圖的基礎(chǔ)上，推出“谷歌街景地圖”[4]，全世界的網(wǎng)民和旅游愛好者可以通過360° 的全景圖像，探索了解世界各地，體驗(yàn)走進(jìn)大街小巷及餐館小店，甚至還能探險(xiǎn)！

2011 年 3 月 11 日，日本發(fā)生里氏 9.0 級地震，并引發(fā)強(qiáng)烈海嘯。有關(guān)專業(yè)人士制作了地震后的日本宮城縣志津川醫(yī)院 360° 全景圖發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上[5]，使世界各地人民能深入直觀地了解日本地震災(zāi)害現(xiàn)場，及時(shí)向日本提供相關(guān)援助。

2 防汛抗旱工作中的應(yīng)用需求

隨著國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程的建設(shè)，到 2013 年全國已建成各類水文測站 86 000 多處，其中國家基本水文站 3 195 處、水位站 9 330 處、雨量站 43 028 處、墑情站 1 912 處，基本做到了流量、水位、雨量、土壤平均含水率、相對濕度等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測[6]。受到過去計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小、傳輸速率慢的制約，這些信息都是按照 SL330-2005 水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)編制成代碼形式，上傳到相應(yīng)的水行政管理部門，供管理決策機(jī)構(gòu)使用，是一種較快捷，但是包容量小、非直觀的信息傳送方式。

照片圖像能夠提供較多的信息包容量。防汛抗旱工作中采集的一般照片圖像，只能反映災(zāi)害現(xiàn)場某一個(gè)視角范圍內(nèi)的信息，不能反映現(xiàn)場全方位的直觀信息。全景圖像能夠作為水情、雨情和墑情等防汛抗旱信息的補(bǔ)充，應(yīng)用于防汛抗旱工作中，以無縫拼接的方式提供最大程度的信息包容量，全面反映洪澇干旱現(xiàn)場的全方位信息，可為防汛抗旱指揮部門迅速把握災(zāi)情，做出正確的決策提供可靠的依據(jù)，最大限度地減少災(zāi)害損失。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的日益普及推廣，3G 網(wǎng)絡(luò)已基本覆蓋淮河流域除少數(shù)山區(qū)外的大部分范圍，4G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)牌照也均已取得，開始在全國范圍內(nèi)啟動(dòng)商用部署工作，為大容量全景圖像提供了高效的傳輸通道，為其在防汛抗旱工作中的應(yīng)用提供了必要的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)條件。

此外，防汛抗旱工作者也可以利用每年的汛前、汛中、汛后的日常檢查，在沒有發(fā)生水旱災(zāi)害的情況下，采集制作一些重要防洪工程的全景圖像信息，作為必要的歷史圖像資料，日后在發(fā)生水旱災(zāi)害時(shí)，進(jìn)行對比分析，為后期災(zāi)害損失評估提供參考依據(jù)。

3 防汛抗旱全景圖像的制作方案

防汛抗旱全景圖像的制作方案，具體包括采集拍攝照片、照片拼接合成、修飾處理、信息發(fā)布等一系列過程[7]。

3.1 采集拍攝照片

防汛抗旱全景圖像由一組連續(xù)采集的照片制作而成。對采集點(diǎn)的選取要求不高，一般選取水旱災(zāi)害現(xiàn)場，或者重要水利工程周邊，在架設(shè)三腳架時(shí)，能夠環(huán)顧現(xiàn)場全貌即可。

采集拍攝全景圖像所需的照片，一般需要專業(yè)數(shù)碼照相機(jī)、魚眼鏡頭和三腳架等基本設(shè)備，與騰訊倫敦奧運(yùn)報(bào)道、谷歌街景的技術(shù)要求相比更為簡單。

專業(yè)數(shù)碼照相機(jī)在采集拍攝后，可以直接將數(shù)碼照片導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)。隨著制造技術(shù)的不斷提高，專業(yè)數(shù)碼照相機(jī)在成像質(zhì)量、成本價(jià)格方面的優(yōu)勢也越來越明顯。

魚眼鏡頭是一種特殊的拍攝鏡頭，焦距一般在6～16 mm 之間，視角可達(dá)到 180° 左右[8]，是制作全景圖像的必備工具。使用魚眼鏡頭可使景物在畫面中顯示出非常鮮明的縱深透視效果。

在照片采集過程中，需要不斷旋轉(zhuǎn)照相機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍攝。“節(jié)點(diǎn)”是照相機(jī)的光學(xué)中心，在采用魚眼鏡頭拍攝照片時(shí)，相機(jī)必須繞著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，才能保證全景拼合的成功。因此穩(wěn)固結(jié)實(shí)的三腳架是不可缺少的工具，如果有條件配置全景攝影專業(yè)云臺(tái)，可以獲得更佳的效果。

使用魚眼鏡頭制作防汛抗旱全景圖像，橫幅照片至少需采集 4 張，豎幅照片至少需采集 6 張。一般可以根據(jù)具體情況，適當(dāng)增加照片的采集數(shù)量，制作出更加高質(zhì)量的全景圖像。

為能拍出高質(zhì)量的、易于后期制作的照片，在拍攝同一組照片的過程中，需要注意以下一些事項(xiàng)：

1）所有照片的水平線要保持一致。旋轉(zhuǎn)拍攝時(shí)要保持平穩(wěn)，需要依照一定順序（由左至右或由上到下等）拍攝，轉(zhuǎn)軸必須始終保持固定不變，這是一項(xiàng)很關(guān)鍵的工作，水平線不一致會(huì)導(dǎo)致圖像拼接錯(cuò)位變形，嚴(yán)重影響最終質(zhì)量，這也是為什么三腳架是不可或缺的工具的原因。

2）所有照片的拍攝參數(shù)保持一致。在拍攝時(shí)要以最有代表性的景物為測光、曝光依據(jù)，采用平均測光、手動(dòng)曝光、固定白平衡模式，不要改變（即使是自動(dòng)調(diào)整改變）光圈、快門、ISO（感光度）、分辨率及其他設(shè)置，因?yàn)檫@樣會(huì)造成圖片的整體效果不一致，使得后期的制作拼接比較麻煩。

3）相鄰 2 幅照片之間要有一定重疊。一般在15%～30% 間為宜，同時(shí)避免在重疊處出現(xiàn)移動(dòng)物體，如車輛及行人等。重疊處的對接點(diǎn)最好選擇諸如水面、山體、遠(yuǎn)處的水利工程管理設(shè)施等容易混合的部位作為結(jié)合部，這樣不容易產(chǎn)生拼縫，效果更佳。

3.2 照片拼接合成

采集拍攝完成一組連續(xù)的照片后，需要利用相關(guān)軟件進(jìn)行后期拼接，這是制作防汛抗旱全景圖像最重要的工作。目前市場上全景圖像制作軟件可選擇的范圍比較多，一般都提供了直觀的界面、易用的向?qū)В约罢掌膶R、融合、變形等工具，功能日趨完備。

一般全景圖像后期制作的第 1 步工作是進(jìn)行照片的拼接合成。照片拼接合成一般經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：

1）輸入照片組。打開軟件，新建項(xiàng)目后，首先要輸入采集制作好的照片組。照片存儲(chǔ)格式一般采用 jpg 格式。為方便輸入，照片組最好按照拍攝順序依次編號進(jìn)行命名，如：xx 洪災(zāi) 01.jpg，xx 洪災(zāi)02.jpg，xx 洪災(zāi) 03.jpg，……。

2）篩選與排序。如果某些位置的照片拍攝過于密集，出現(xiàn)重復(fù)或多余，可以進(jìn)行篩選，有選擇地刪除。需要按照實(shí)景對照片進(jìn)行調(diào)整排序操作，便于拼接融合。

3）調(diào)整與加工。篩選排序后，用戶可以對照片進(jìn)行簡單的調(diào)整與加工處理，彌補(bǔ)拍攝過程中產(chǎn)生的一些小缺陷，例如對色調(diào)、飽和度、明暗、對比度等進(jìn)行修正，有些照片還需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和透視變形操作。

4）拼接合成。完成以上操作后即可進(jìn)行拼接合成，生成合成后的防汛抗旱全景圖像，一般以 jpg 格式保存。

3.3 修飾處理

防汛抗旱全景圖像由多張照片合成，每張照片在對比度、色彩、清晰度、層次等方面存在一些差異，合成一幅全景圖像后，這些差別在融合銜接之處比較容易發(fā)現(xiàn)。這種情況下，需要采用圖像加工處理軟件進(jìn)行修飾處理，推薦使用 Photoshop。

此外，為了增加防汛抗旱全景圖像的知識(shí)產(chǎn)權(quán)等屬性，還可以為全景圖像添加標(biāo)識(shí)性的 Logo，可以采用作者隸屬的水行政管理單位、水旱災(zāi)害地點(diǎn)、水利工程名稱及制作時(shí)間相結(jié)合命名。Logo 的另一個(gè)重要作用是可以用來完全遮蓋底部三腳架，消除其對整幅全景圖像的影響。Logo 一般可以根據(jù)實(shí)際情況，采用適合的輯輯軟件進(jìn)行制作，進(jìn)而采用 Photoshop 或者其他圖像制作軟件自有的功能，合成到全景圖像中。

3.4 信息發(fā)布

在對防汛抗旱全景圖像進(jìn)行編輯和與修飾處理后，可以利用全景圖像制作軟件，將 jpg 格式的全景圖像，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成特定格式的全景圖像。一般情況下，為便于在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布，需要轉(zhuǎn)換為 Flsh 格式的全景圖像。最終的全景圖像，提供了放大、縮小、向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)等操縱功能，可以隨意觀看場景，達(dá)到模擬和再現(xiàn)真實(shí)環(huán)境的效果。

除此之外，有些全景圖像制作軟件，還可以在多幅全景圖像中，實(shí)現(xiàn)互相鏈接跳轉(zhuǎn)，更加全面地再現(xiàn)場景真實(shí)信息。例如，對于同一處災(zāi)害現(xiàn)場或者同一個(gè)水利工程，分別選取不同的觀測位置制作2 幅具備關(guān)聯(lián)性的全景圖像，在每幅全景圖像上設(shè)置相應(yīng)的“熱點(diǎn)”，在進(jìn)行其中一個(gè)全景圖像漫游查看時(shí)，點(diǎn)擊這些“熱點(diǎn)”，便會(huì)切換到另一幅全景圖像，實(shí)現(xiàn)從多位置進(jìn)行立體觀察的功能，更加全面地了解防汛抗旱災(zāi)害現(xiàn)場或者水利工程的信息。

在完成全景圖像文件的制作與轉(zhuǎn)換后，可以將最終生成的 Flash 文件，包括多個(gè)相互獨(dú)立，或者相互之間具有關(guān)聯(lián)“熱點(diǎn)”的文件，由網(wǎng)絡(luò)管理員制作成相應(yīng)主題的網(wǎng)頁，或者通過網(wǎng)站管理平臺(tái)添加到防汛抗旱專題網(wǎng)站中。

4 防汛抗旱工作中的全景圖實(shí)踐

在實(shí)際工作中，經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)研分析，選擇2 套全景圖像制作軟件，即采用 PTGui pro 結(jié)合Pano2vr 及單獨(dú)采用造景師的方案，進(jìn)行全景圖像在防汛抗旱工作中的探索應(yīng)用工作。PTGui pro 和Pano2vr 均為國外公司軟件，PTGui pro 是一款多功能全景拼接制作工具，Pano2vr 具有強(qiáng)大的全景圖像制作與發(fā)布功能；造景師為國內(nèi)公司自主產(chǎn)權(quán)軟件，是一款三維全景拼合軟件。這些軟件均功能全面、操作便捷，可以生成多種格式的全景圖像，效果良好，適合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。攝影器材選用的是普通單反數(shù)碼相機(jī)、8～15 mm 魚眼鏡頭和帶三維云臺(tái)的鋁鎂合金三腳架。

由于工作實(shí)踐與論文編制期間，淮河流域未有一定規(guī)模的水旱發(fā)生，為此選擇淮河流域荊山湖閘和南灣水庫 2 個(gè)水利工程，制作了相應(yīng)的全景圖像，水旱災(zāi)害現(xiàn)場的全景圖像制作方法和水利工程現(xiàn)場的全景圖像制作方法是相同的。 這 2 個(gè)水利工程的全景圖像在計(jì)算機(jī)中是以 Flash 文件的方式顯示給使用者的，對每個(gè) Flash 全景圖像環(huán)顧 1 周截取6 幅相應(yīng)的截圖，制作的 2 處水利工程的全景圖分別如圖1 和 2 所示，每相鄰 2 幅圖片中均能很容易地看出有一定重疊度。

綜合 2 套方案，全景圖像展示技術(shù)通過拍攝實(shí)際的照片，能全面掌握最直觀的防汛抗旱受災(zāi)現(xiàn)場信息，為防汛抗旱指揮提供客觀真實(shí)的依據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中可大大提高調(diào)度決策的時(shí)效，縮小水旱災(zāi)害范圍，最大限度地減少災(zāi)害損失。

圖1 荊山湖閘全景圖像實(shí)例

5 結(jié)語

全景圖像展示技術(shù)，在騰訊倫敦奧運(yùn)報(bào)道、谷歌街景制作中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，應(yīng)用市場呈快速成長態(tài)勢。在全景圖像研究實(shí)踐過程中，使用 1 套普通專業(yè)數(shù)碼相機(jī)、魚眼鏡頭和三腳架，全景拼接制作工具采用成熟通用軟件，一次性商業(yè)投入不會(huì)超過 10 萬元，具有非?？捎^的性價(jià)比，技術(shù)方法已在淮河流域的日常工作中獲得具體應(yīng)用，具有容易掌握、方便快捷的特點(diǎn)。

目前，國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程、山洪災(zāi)害防治縣級非工程措施建設(shè)和中小河流治理工程正在全國范圍內(nèi)開展。全景圖像展示可作為災(zāi)情信息采集的補(bǔ)充技術(shù)手段，能獲取現(xiàn)場的全方位實(shí)時(shí)信息，為防汛抗旱做出正確的決策提供可靠的依據(jù)，具有較高的應(yīng)有價(jià)值。相信在未來的水利行業(yè)應(yīng)用中，不僅在防汛抗旱工作方面，在水資源分配、水污染防治、水生態(tài)保護(hù)、水土保持及水利工程管理等諸多方面，也都具有廣泛的應(yīng)用潛力。

圖2 南灣水庫全景圖像實(shí)例

[1] 水利部水利信息中心.國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].北京：水利部，2004: 2.

[2] 白木，周潔.漫談全景攝影[J].攝影與攝像，2003 (10): 48-49.

[3] 騰訊奧運(yùn)[OL].[2014-04-28].http://2012.qq.com/zt2012/ 360/index.htm.

[4] Google 地圖[OL].[2014-04-28].http://ditu.google.cn/intl/ zh-cn/help/maps/streetview/learn/using-street-view.html.

[5] 遇襲后的日本宮城縣志津川醫(yī)院 360° 全景圖[OL].[2014-04-28].http://news.qq.com/photon/tpyk/rbqj.htm.

[6] 水利部水文局.全國水文統(tǒng)計(jì)年報(bào)（2013年）[R].北京：水利部，2013: 1.

[7] 全政環(huán).360° 全景技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展歷程.電腦知識(shí)與技術(shù)[J].2010, 6 (3): 713-715.

[8] 郭根生.虛擬全景照片拍攝——“虛擬現(xiàn)實(shí)”系列之四[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2002 (3): 68-74.

Application of Panorama Demonstration in Flood Control and Drought Relief Work

XU Zhiyong1, DONG Min2

(1.Hydrological Bureau (Information Center ) of Huaihe River Commission, Bengbu 233001, China；2.Communication Center of Huaihe River Commission, Bengbu 233001, China)

It is very important to know the situations in the disaster scene timely in the process of commanding and decision-making in the flood control and drought relief works.Panorama demonstration is a kind of virtual reality technology with 3-D effect and 360 degree angle of view.Users can obtain the comprehensive information of the scene.This paper discusses the methods of making the panoramic images, the processes of splicing the images, and how to integrate the panorama into web pages finally.Panorama demonstration can reflect the disaster scene and other kinds of secondary information completely.According to the panoramas, flood control and drought relief headquarters can obtain detailed disaster information, issue warnings to the public, and make the right decision.Panoramas can also offer the accurate and precious historical image data for the later loss assessments of disasters.

panorama; flood control and drought relief; disaster; splice

TU87

A

1674-9405(2014)04-0017-05

2014-05-06

許志勇（1970－），男，安徽蚌埠人，教授級高工，主要從事水利信息化規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)管理和運(yùn)行維護(hù)工作。